可编程控制器的组成与工作原理

可编程控制器的组成与工作原理可编程控制器的结构多种多样。但其组成的—般原理基本相向，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持．实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。第一节可编程控制器的组成可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几部分组成，其结构框图如图2-1所示一、中央处理单元((CPU)可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器〔如8080、8086、80286、80385等〕、单片机〔如8031、8096等〕、位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2093等)。可编程控制器的档次越高．CPU的位数也越多、运算进度也越快，功能指今越强。FX2系列可编程控制器使用的微处理器是l6位的8096单片机。二、存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统管理程序，用户存储器存放用户编制的控制程序。小型可编程控制器的存储器容量—般在8K字节以下。常用的存储器有CMOSRAM和EPROM、EEPROM。CMOSRAM是—种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序．生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。CMOSRAM存储器是—种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作备用电源。掉电时，可以有效地保持存储的信息。锂电他的寿命一般为(5—30)年，若经常带负载可维持(2—5)年。EPROM、EEPROM都是只读存储器。往往用这些类型存储器固化系统管理程序和用户程序，EEPROM存储器又可写成E2PROM，它是一种电可擦除可编程的只读存储器．既可按字节进行擦除。又有可整片擦除的功能。三、输入输出单元(I/O单元)实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是干差万别的，而可编程控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平。正是通过输入输出单元实现了这些信号电平的转换。I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC上输入接口的输人器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各种输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流型和直流型，高电压型和低电压型、电压型和电流型之分。(一)输入接口电路各种PLC的输入电路大都相同，通常有三种类型：一种是直流(12-24)v输入．另一种是交流(100-120)v、(200-240)V输入，第三种是交直流〔12一24〕V输入。外界输入器件可以是无源触点或者有源传感器的集电极开路的晶体管，这些外部输入器件是通道PLC输人端子与PLC相连的。PLC输人电路中有光耦合器隔离。并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。当输入开关闭合时，一次电路中流过电流，输入指示灯亮．光耦合器被激励．三极管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入过程。图2-2是一个直流输入端内部接线图。(二)输出接口电路PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输比。图2-3给出了PLC的输出电路图。继电器输出型最常用。当PLC输出时．接通或断开输出电路中继电器的线圈，继电器的接点闭合或断开，通过该接点控制外部负载电路的通断。很显然，继电路输出是利用了继电器的接点和线圈将PLC的内部电路与外部负载电路进行了电气隔离。晶体管输出型是通过PLC光耦合使晶体管截止或饱和以控制外部负载电路、并同时对PLC内部电路和输出晶体管电路进行了电气隔离。第三种是双向晶闸管输出型，采用了光触发型双向晶闸管。三种输出形式以继电器型响应最慢。输出电路的负载电源由外部提供。负载电流一般不超过2A。实际应用中，输出电流额定值与负载性质有关。例如FX2型FLC继电器输出的负载能力．电源电压在250vAC以下时，对电阻负载为2A/点；对感性负载为80V*A；对灯负载为100W。通常，PLC的制造厂商为用户提供多种用途的I/O单元。从数据类型上看有开关量和模拟量；从电压等级上看有直流和交流；从速度上看有低速和高速，从点数上看有多种类型；从距离上看可分为本地I/O和远程I/O。远程I/O单元通过电缆与CPU单元连接、可放在距CPU单元数百米远的地力。四、电源单元PLC的供电电源是一般市电、也有用直流24v供电的。PLC对电源稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值在+10%--15%的范围内波动。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电．小型PLC电源往往和CPU单元合为—体，中大型PLC都有专门电源单元，有些PLC电源部分还有以24vDC输出，用于对外部传感器供电，但电流往往是毫安级。五、编程器编程器是PLC的最重要外围设备，利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。编程器—般分简易型编程器和智能型编程器，小型PLC常用简易型编程器．大中型PLC多用智能型CRT编程器，除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包。即可用个人计算机为PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。第二节可编程控制器的编程语言PLC是一种工业控制计算机。不光有硬件，软件也必不可少，一提到软件就必然和编程语言相联系。不同厂家、甚至不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。目前PLC常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语音、高级编程功能语言。梯形图编程语形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的优点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备。一、梯形图编程语言该语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器．接触器逻辑控制基础下简化了符号演变而来的。形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。继电器接触器电气控制电路图和PLC梯形图示于图2-4中，由图可见两种控制电路图逻辑含义是—样的，但具体表达方法却有本质区别。PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器、物理定时器、物理计数器，这些器件实际上是存储器中的存储器，因此称为软器件。相应位为“1”状态，表示继电器线圈通电或常开接点闭合或常闭接点断开。PLC的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动．而仅仅是概念电流——虚电流或称为假想电流。把PLC梯形图左边路线假想为电源相线．而把右边母线假想为电源地线：假想电流只能从左向右流动．层次改变只能先上后下。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC梯形图中每个网络由多个梯级组成。每个梯级输出一个或多个支路组成．并出—个输出入件构成，但右边的元件必须是输出元件。例如图2-4b中梯形图由两个梯级组成，梯级1）中有4个编程元件(X1、X2、Y1和Y2)，最右边的Y1是输出元件。梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串，不同编程元件常用不同的字母符号和—定的数字串来表示，不同厂家的PLC使用的符号和数字串往往是不一样的。二、指令语句表编程语言这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助汇符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。需要指出的是，不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同．因此，一个相同功能的梯形图。书写的语句表并不相同。表2-1是三菱电机公司FX型PLC指令语句完成图2—4b功能编写的程序。指令语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由—条或几条语句来执行。PLC的语句表达形式与微机的语句表达式相类似．也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表不(如L1表示取、OR表示或等)，用来执行要执行的功能，告诉PLC该进行什么操作，例如逻辑运算的与、或、非；算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先设定值。三、功能图编程语言这是一种较新的编程方法。它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种新式的编程标准。不同厂家的PLC对这种编程语言所用的符号和名称也不一样。三菱PLC叫功能图编程语言，而西门子PLC叫控制系统流程图编程语言。图2-5是一个先”与”后“或”操作的功能图编程语言图。四、高级语言编程近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程，有的PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以象使用普通微型计算机一样操作PLC。除了完成逻辑功能外，还可以进行PID调节、数据采集和处理以及与上位机通信等。第三节可编程控制器的工作原理一、PLC的编程器件概述PLC内部有多具有不同功能的插件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如输入继电器X是由输人电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器Y是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器T，计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址寄存器V／Z等都是由存储器组成的。为了把它们与通常的硬器件区分开，我们通常把上面的器件称为软器件，是等效概念抽象模拟的器件。并非实际的物理器件。从工作过程看，我们只注重器件的功能．按器件的功能给名称，例如输入继电器x、输出继电器Y等、而且每个器件都有确定的地址编号．这对编程十分重要；需要特别指出的是，不同厂家、甚至同—厂家的不同型号的PLC编程器件的数量和种类都不一样，下面我们以FX小型PLC为蓝本，介绍编程器件。二、FX2系列PLC编程器件(一)输入继电器(X0一X177输入继电器与PLC的输入端相连、是PLC接收外部开关信号的接口。与输人端子连接的输入继电器是光电隔离的电子继电器，其线圈、常开接点、常间接点与传统硬继电器表示方法一样，如图2-6左边所示。这里常开接点、常闭接点的使用次数不限，这些接点在PLC内可以自由使用，FX2型PLC输入继电器采用八进制地址编号，X0—X177最多可达128点。输入继电器必须有外部信号来驱动．不能用程序驱动。(二)输出继电器Y0—Y177输出继电器的外部输出接点连接到PLC的输出端子上，输出继电器是PLC是用来传送信号到外部负载的元件，如图2-6右边所示。每一个输出继电器有一个外部输出的常开接点。而内部的软接点，不管是常开还是常闭．都可以无限次的自由使用。输出继电器的地址编号也是八进制。Y0—Y177，最多可达128点。(二)辅助继电器MPLC内部有很多辅助继电器，它的常开常闭接点在PLC内部编程时可以无限次的自由使用。但是这些接点不能直接驱动外部负载．外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。在逻辑运算中经常需要—些利用继电器作为辅助运算用，这些器件持往用作状态暂存、移位等运算。另外，辅助继电器还具有一些特殊功能。下面是几种常见的辅助继电器。1．通用辅助继电器M0—M499通用辅助继电器按十进制地址编号M0—M499共的500点(在FX型PLC中除输入输出继电器外，其它所有器件都是十进制编号)。2．断电保持辅助继电器M500~M1023(524点)PLC在运行中若发生停电．输出继电器相通用辅助继电器全部成为断开状态。上电后，除了PLC运行时被外部输入信号接通的以外，其它仍断开。不少控制系统要求保持断电瞬间状态。断电保持辅助继电器就是用于此场合，断电保持是由PLC内装锂电池支持的。3．特殊辅助继电器M8000~8255(256点)PLC内有256个特殊辅助继电器，这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能下面两大类：1.只能利用其接点的持殊辅助